第十章水泥混凝土路面设计.docx

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1、第十章水泥混凝土路面设计第10-1节设计内容与设计参数一、混凝土路面的设计内容水泥混凝土路面设计应包括以下内容：1 .路基和基（垫）层的结构组合设计；2 .混凝土面板的平面尺寸确定和板厚计算；3 .接缝设计；4 .配筋设计；5 .混凝土的材料组成设计。二、设计参数（一）标准轴载与轴载换算公式1 .标准轴载我国公路水泥混凝土路面设计规范（JTJOI294）规定：水泥混凝土路面设计以轴重WOkN的单轴荷载作为标准轴载，其他各级轴载均应换算成标准轴载，然后再进行混凝土路面设计。对于单轴荷载以其实际作用次数和轴重计，对于双轴荷载，后轴经过一次可视为作用一次，轴重以双轴的总重计。2,轴载换算轴载换算依据

2、等效疲劳损坏的原则进行。所谓等效，是指同一路面结构在不同轴载作用下达到相同的疲劳程度。公路水泥混凝上路面设计规范（JTJOI294）规定以疲劳断裂作为混凝土路面的损坏标准。如对某一种路面结构，轴载PI作用NI次以后，混凝土面板处于疲劳断裂状态：轴载P2作用N2次后，混凝土面板处于同样的破坏状态，则二者是等效的。由此，采用疲劳断裂为标准建立的疲劳方程，可以推导产生等效疲劳损坏时的轴载换算公式和换算系数：N.H（00）m（2-81）式中：N9标点独靠作用次I1次/日；Pi各级轴栽单轴汽或双轴总41d当单轴或小于或等JMk、和双轴物我小于或等于Rok、时，可不与虚犬影峋；久轴数东数,单轴时=k双轴时

3、，。尸1的（232）M各级轴拿的作用次数.次/H3.路面设计使用的8肿汽车的没计套数见式2/9,（二）交通分级交通量相轴载大小是路面设计的基本依据。随着交通量增大，对路面使用性能和使用寿命的要求相应提高。由此，在使用年限内对混凝土强度、面板厚度、基层类型和模量等方面提出了不同的技术要求。为了区分各项要求在程度上的差别，按使用初期设计车道每日通过的标准铀载作用次数，将水泥混凝土路面承受的交通划分为特重、重、中等和轻四个等级，见表2-8-1o表2&I设计车道为行车道内承受交通最繁重的一个车道。设计车道内的标准轴载日作用次数N1,系由断面标准轴载作用次数乘以(行驶)方向分配系数和车道分配系数，即：N

4、S1=NSBBj(2-8-3)式中：Ns1一一路段(断面)日标准轴载作用次数，次/日；B一方向分配系数，通常取0.50.6:B车道分配系数，通常，单车道/方向，取1.0；双车道/方向，取0.81.0:3车道/方向:取0608;具体数值依据交通情况和车道数.通过调查确定。(三)设计使用年限与累计轴载作用次数路面的设计使用年限是指路面到达预定损坏标准时所能使用的年限。超过此年限，路面并非完全破坏面不能使用，只是其实用性能太差和运行费用过高。各国对水泥混凝土路面设计使用年限的规定为2040年不等，如：美国、日本定为20年，前苏联和西班牙定为30年.英国定为40年。设计使用年限长，则交通组成难以预估准

5、确，初期投资也较高。然而，技现行设计方法计算分析的结果表明，混凝土面板厚度的少许增加，可使路面寿命有较大的增长。因而，规定较长的使用年限，混凝土面板的厚度实际上增加并不多，虽然初期投资要高些，但从整个使用期来看，经济上还是合算的。考虑到路面改建会影响行车而增加运行费用.我国公路水泥混凝土路面设计规范(JTJOI294)规定丁2030年不等的使用年限，见表2-8-2。交通越繁重，设计使用年限越长。设计使用年限内路面临界荷位上所受到的标准轴载累计作用次数，依据设计车道内的初始标准轴载的作用次数、交通量年平均增长率和车轮轮迹在车道横断面上的横向分布系数确定，其计算公式为：(2-8-4)AziE(+)

6、-Ix365N,=;q式中：Ns1使用初期设计车道标准荷载作用次数，次/日;r一一交通量年平均增长率(%),由调查确定；T设计使用年限，年；H车轮轮迹横向分布系数，按表2-4-3取值。(四)综合影响系数综合影响系数考虑了由于超过额定载重和载重在各侧车轮上分配的不均匀性；在行驶过程中因路表不平整和车辆自振所引起的变动，以及路面结构厚度和材料性质的变异等因素对路面疲劳损坏的影响，它实际上是荷载应力安全系数。其数值是参照国内外资料确定的，见表284所示。(五)基层顶面的当量回弹模量和计算回弹模量在水泥混凝土路面设计理论中，把混凝土面板下的基层、垫层和土基看做一层考虑.故设计时应将基层、垫层和土基换算

7、成与土基相当的一层，其强度用基层顶面的当量回弹模量来表示。具体确定时按新建公路和改建公路分别考虑：1 .新建公路基层顶面的当量回弹模量Et的计算：(1)根据土类、自然区划和路基于湿状态，确定土基的回弹模量E。；(2)根据己拟定的路面结构层的类型，厚度和材料组成，确定各结构层的回弹模量匕；(3)根据EjEo和基层厚度h查图2-8-I确定Et1E0的值K,则Et1=KE0。如有多层，可M2i等方假是K1PWB*)f110以此类推，求得Et2,Et3,，Etn图中：E0土基回弹模量；E1第一层基层的回弹模量；En一一第n层基层的回弹模量；E11一第一层基层顶面的当量回弹模量；E1n第n层基层顶面的当

8、量回弹模量。2 .改建公路基层顶面的当量回弹模量E1的计算在原有柔性路面上铺筑水泥混凝土路面时，应通过承载板试验确定原有柔性路面顶面的当量回弹模量E1:如条件不具备或有困难时，可用汽车实测路段的回弹弯沉值，然后考虑一定的保证率、季节影响和湿度影响后.确定计算回弹弯沉值，再按式（2-8-5）确定基层顶面的当量回弹模量。式中：1d以后轴重IooKN的车辆测得的计算回弹弯沉值，1/100mm。混凝土面板具有较大的刚性和扩散荷载的能力，因而传到基层顶面的荷载压力小，分布范围大，所产生的弯沉量小，这同沥青面层下基层顶面所受到的压力大小，分布范围和弯沉量有很大的差异，并且土基和基层（垫层）材料都不是理想弹

9、性体。因此，不能简单地直接采用柔性路面中用刚性承载板或弯沉测定所得到的土基和基层材料的回弹模量他作为混凝土路面中土基和基层材料的刚度指标。同时，实际的地基（土基、垫层和基层）并不是半无限体，下部地基的刚度状态对于按半无限体地基假设分析的结果有一定的影响，因此，将要对当量回弹模量进行修正，其修正公式为：EtC=所式中：一一基层顶面的计算回弹模量；n模量修正系数。计算荷载应力时，按下式确定n=1.718X1O誉）其中：h一混凝土面板的厚度，cm；E1基层顶面的当量回弹模量，MPa；EC混凝土弯拉弹性模量，MPao计算温度应力时，n=0.35。（六）混凝土设计强度和弯拉弹性模量混凝土面板在行车荷载和

10、温度变化等因素的作用下，将产生压应力和弯拉应力。混凝土面板所受的压应力与混凝土的抗压强度相比很小，而所受的弯拉应力与抗弯拉强度相比则大得多，可能导致混凝土面板开裂破坏。因此，在设计混凝土面板厚度时，应以弯拉强度为其设计标准。混凝土的强度随龄期而增长，通常以28口龄期的强度为标准。各级交通要求的混凝土设计弯拉强度不得低于表2-8-5的规定。当90日内不开放交通时，则可采用90日龄期的强度（为28日强度的1.1倍）。混凝土的强度对路面的使用寿命有重大影响，强度的变化同路面容许的标准铀载作用次数的对数成正比。增加混凝土的强度，可以大大延长路面的使用寿命，取得十分显著的经济效益。因而，应尽可能提高混凝

11、土的强度。结合我国的材料情况和施工工艺水平，公路水泥混凝土路面设计规范（JTJo1294）规定了设计强度的最低值。条件许可时，应尽量采用高值，尤其是对于特重交通的公路。混凝土弯拉弹性模量的测试工作，很费时而又不易准确，且其数值的变化对荷载应力计算结果的影响不大。因而，在无条件测试时，可直接采用表2-8-5所列数值，或者对照下述经验关系式，由弯拉强度推算：（七）混凝土面板内最大温度梯度混凝土面板顶面和底面的温度之差除以板的厚度，即为板的温度梯度。在晴天，混凝土面板的温度梯度经历了由零经正最大（板顶高于板底）到零，再经负最大（板顶低于板底）后回到零的周期性变化。同时，在一年内是呈现周期性变化的，最

12、大值出现在57月份，最小值出现在12月份。混凝土面板的最大温度梯度计算值T,可根据公路所在地的公路自然区划按表2-8-6选用。xuAitMr.*公用白依因nVW1NMVU(e)0.13-0WO0.M*0.92。.外0.建住：香核餐”.取食值;立大时.感低债，第10-2节混凝土路面结构层组合设计一、路基混凝土路面下的路基必须密实、稳定和均质。影响路基强度和稳定性的地面水和地下水，必须拦截或排出路基范围以外，一般要求路基处于干燥或中湿状态，过湿或强度与稳定性不符合要求的潮湿状态的路基，必须经过处理；路基施工中必须分层填筑，分层压实，其压实标准应符合现行的公路路基设计规范（JTJoI395）的有关规

13、定。二、垫层在路基水温状况不良的路段上，路基与基层之间宜设垫层。从面改善土基的湿度和温度状况，保证混凝土面板和基层的强度、稳定性及抗冻胀能力；扩散由基层传来的荷载应力，减少土基的应力和变形。此外，垫层还能阻止路基土挤入基层中，以保证路面结构的稳定性。垫层材料的强度要求不一定要高，但其水稳性、隔热性能要好。垫层材料以就地取材为原则，一般采用颗粒材料（砂、砂砾、炉渣等）。当采用砂或砂砾时，通过0.075mm筛孔的颗粒含量不宜大于5%；当采用炉渣时，小于2mm的颗粒含量不宜大于20%。垫层的最小厚度为15cm,其宽度应比基层每侧至少宽出25cm,当路基为膨胀土或路面排水不良时，垫层应与路基向宽。在季

14、节性冰冻地区，为了防止不均匀冻胀，要求路面的总厚度应不小于混凝土路面防冻最小厚度，混凝土路面防冻最小厚度规定见表2-8-7。否则，应通过设置垫层补足。三、基层混凝土面板下设置基层，不仅为混凝土面板提供均匀而稳定的支承，且能防止唧泥、错台、冻胀等病害，从而保证路面的整体性，延长路面的使用寿命。因此，除非土基本身就是有良好级配的砂砾类土，而且是有良好排水条件的轻交通之外，都应设置基层。同时.，基层应具有足够的刚度和稳定性，且断面正确，表面平整。理论计算和实践都已证明，采用整体性好，具有较高的弹性模量的材料修筑基层，可以确保混凝土路面良好的使用特性和延长路面的使用寿命。基层材料应根据交通等级，当地条

15、件和经济性等因素选用贫混凝土、沥青混合料、水泥稳定土、石灰稳定工业废渣、级配碎（砾）石、填跟碎石等。由于石灰稳定土的强度较低，在特重和重交通的公路上，或冰冻地区潮湿路段及其他地区的过湿路段上，不宜采用石灰稳定土基层。各种基层的技术要求应符合现行公路路面基层施工技术规范（JTJO34一93）的规定。为保证模板和轨模式摊铺机轨道的安装、滑模式摊铺机的施工，以及混凝土面板边缘的强度和稳定性.当采用小型机具或轨模式摊铺机施工时，基层的宽度应比混凝土面板每侧宽出2535cm;当采用滑模式摊铺机施工时，每侧宽出5060cm：当路基为膨胀土或排水不良时，应与路基同宽。1 .新建公路的基层根据国内外混凝土面板下设置基层的经验，基层的厚度不宜小于15cm,但也不宜太厚，特别是粒料基层，以避免基层本身的固结变形。为避免基层出现过量的塑性变形和引起板底脱空，基层顶面以下结构的整体强度应大于表2-8-8的规定。基原JX曲的当回弹模2M文J等缰.中&130IOD602 .原有柔性路面做基层在原有公路上铺筑混凝土路面